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筛分、计量称重、混合以及无分离产品排出的理想化工艺流程应如何设计?

理想化的工艺布局遵循以下原则:尽可能减少产品转运环节、尽可能缩短自由下落距离,并从原料到包装实现受控的质量流。每一个额外的输送环节、每一座料仓、每一条溜槽以及每一次自由下落,都可能促进离析、磨损、粉尘产生或交叉污染。对于颗粒尺寸、堆积密度、形状或流动性差异较大的混合物而言,这一点尤为关键。

下文所述结构描述了一种适用于间歇式和连续式粉体工艺的、切合实践的参考布局。实际设计须依据产品特性、卫生要求、处理量、配方及防爆要求加以调整。

理想化的工艺布局

原料供给 → 筛分 → 缓冲与计量称重 → 明确的产品输送 → 混合机 → 温和卸料 → 短距离封闭式转运 → 灌装或后续工序

工艺起始于原料的接收,并存放于合适的容器、小型容器、大袋、袋装或料仓中。原料供给环节就应为后续的计量精度提供支持,包括稳定的堆积密度、有限的湿度、尽可能均匀的粒度,以及与产品特性相适应的容器卸料方式。对于内聚性强或易架桥的粉体,须配备合适的卸料辅助装置,例如搅拌器、柔性壁面、振动辅助装置或专门设计的卸料机构。这些辅助装置的设定须能够稳定计量过程,同时不损坏颗粒,也不使混合物过早发生离析。

在计量之前,通常宜设置一道检控筛,用于去除异物、包装残留物、硬块或不需要的过大颗粒。筛分环节应尽可能安排在工艺早期,并置于精确计量之前。对于敏感的颗粒或谷物产品,筛分设备须采用特别温和的设计,以避免其本身造成磨损和颗粒破碎。若预计原料或输送设备中可能混入金属异物,则可辅以磁选或金属探测装置。

筛分后,每种原料进入一个针对产品特性专门设计的小型中间容器,或直接进入计量工位。应尽量避免在筛分后于大型中间料仓内长期存放,因为物料在加料、振动及卸料过程中可能再次发生离析。若无法避免中间缓冲,容器设计应采用整体流(Mass Flow),即使整个产品截面尽可能均匀运动。整体流可限制卸料时的离析,但若混合物在加料阶段就已按侧向或粒度发生分离,整体流并不能保证完全均匀的卸料。

当配方精度和可重复性至关重要时,计量应采用重量法进行。对于间歇式工艺,在称量容器或安装于称重传感器上的混合机中进行重量法称量较为合适。主要组分通常先经过粗加料阶段,再进行精加料阶段:精加料可减少超量加料,提高称量精度。每种组分加入后,须预留足够时间让称重信号稳定;柔性接口、防振动隔离以及防尘排气装置,可防止外部作用力或压力波动使称重信号产生误差。

对于连续式工艺,失重式计量器(Loss-in-Weight,简称LIW计量器)尤为适用:计量容器和卸料机构安装在称重传感器上,控制系统根据单位时间内测得的重量损失来调节卸料转速,从而控制实际的质量流量,而不仅仅是加料螺旋的转速。当堆积密度、料位或流动性可能发生波动时,LIW计量器尤其有效。但其补料方式须予以关注:在补料期间,重量法测量通常会暂时中断,并由基于模型的体积法计量加以过渡。因此,补料过程、容器尺寸、补料速度及之后的稳定阶段,须与所需的质量流量及允许的计量偏差相协调。

对于香料、活性成分、维生素、色素或微量元素等微量组分而言,计量任务尤为苛刻,应尽可能靠近混合机进行计量,以便加入后仅需经过较短的输送距离。对于极少量的组分,可能需要先与合适的载体材料进行预混合,载体成分应尽可能与主要组分具有相近的颗粒特性,以避免预混料在输送及混合机内再次发生离析。

在混合机前,各计量组分的汇合须平稳、受控地进行。共用的集料漏斗不应导致高落差、失控的物料下落,或产生预先离析。理想的做法是采用短距离、尽可能垂直、防尘且截面较大的转运通道。较长的倾斜溜槽、挡板、较高的自由下落距离以及高速运转的输送螺旋应尽量避免,或仅在经过产品试验验证后使用,因为它们可能产生磨损、使大小颗粒分离,或使物料流产生脉动。

混合机须与被混合物料及混合任务相匹配,应能可靠地覆盖整个批量体积,同时不产生过度剪切、颗粒破碎或局部过度混合。关键在于明确的填充率工作范围、合适的工具几何结构、可重复的转速,以及将混合时间限制在达到充分均匀所需的最短时间内。若须加入液体,喷嘴应布置在运动充分的产品区域,液滴尺寸、喷雾速率、黏度及混合强度须相互协调,以避免局部过湿、结团或结块。

混合完成后,产品卸料环节往往是最容易发生离析的关键阶段。理想情况下,混合物应无需中间存放,直接从混合机转入后续工序或灌装环节。卸料口应足够大,以实现均匀、脉动较小的质量流。卸料容器或混合机内受控的整体流,可降低最初只卸出特定组分的风险。较大的堆积锥、较长的下落距离、坡度较陡的溜槽、输送振动及气力输送,都可能使原本良好的混合物再次变差。因此,转运通道应设计为短距离、垂直、壁面光滑,并尽量避免截面的急剧变化。

若混合机后的中间容器无法避免,应尽可能设计得较小,仅作为短时缓冲之用,其设计须能实现均匀卸料。漏斗流(Funnel Flow,即中心区域流动、边缘区域滞留的流动方式)会加剧离析,并使旧的物料残留滞留其中;整体流通常是更合适的基础方案,但仍须通过实际混合物的测试加以确认。若在最后一部分物料卸出时出现组分分离,完全排空也可能存在问题,因此应对整个卸料过程中容器及灌装环节的均匀度进行检验。

控制与质量

控制系统应采集所有称量数据、计量时间、目标与实际质量流、混合时间、转速、液体用量以及必要时的温度。对于连续式设备,将所有计量流量相对于主要组分进行比例控制至关重要;对于间歇式工艺,配方管理、合理性校验、称量后的放行确认以及完整无遗漏的批次记录,均具有重要意义。

质量保证工作不应仅局限于检验混合机内的样本,还须评估卸料开始、中间及结束阶段的均匀度。相关的评价指标包括示踪组分的变异系数、粒度分布、堆积密度、湿度、粉尘含量、破碎比例,以及必要时液体加入的均匀性。只有当这些数值在计量、混合、卸料及灌装各环节中始终保持稳定时,该工艺才真正实现了低离析水平。

amixon®如何将筛分、计量、混合与卸料衔接起来

低离析风险的粉体工艺始于所有工艺环节之间防尘且符合卫生要求的连接。筛分、计量称重、混合、卸料及灌装应尽可能实现无开放式转运、无长溜槽及无不必要的中间缓冲的连接。每一段额外的下落距离、每一次振动及每一个转料点,都可能促进离析、磨损或粉尘释放。

amixon®混合机可配备气密及防尘接口。针对与筛分设备、计量工位、过滤器、输送设备、大袋工位或灌装设备的连接,可提供标准化接管及针对具体项目的专用接口。在对卫生要求较高的应用中,光滑、易于接近且便于清洁的连接方式至关重要;对于需要无菌或可灭菌工艺操作的场合,可配置合适的卫生法兰及卫生化连接方案。法兰标准、密封件、材料及清洁方式的具体选择,须依据产品、压力等级、温度、CIP或SIP理念以及运营方的要求确定。

amixon®混合机的立式结构使批量规模具有灵活性。SinConvex®或SinConcave®混合工具可产生三维产品运动:混合物料在靠近壁面处被提升,并在中心区域重新向下流动。只要产品、工具设计、转速及混合时间相互协调,混合效果便可在较宽的填充率范围内保持稳定。但对于特别小或特别大的批量,最小填充率、排气空间、产品柱高、液体加入及卸料表现,仍须以原始产品进行检验。

混合完成后,卸料是决定产品质量的关键步骤。amixon®为此提供多种理念,可依据产品特性、灌装任务及所需的质量流选用。

对于定量或分份卸料,可采用DosiFlap®阀。据amixon®介绍,该装置可实现有针对性的、受限的、可中断的产品流:阀门可顶住后续流入的混合物料关闭,从而在产品侧封闭混合机,从而将产品定量地转移至后续的称量容器、容器、大袋或灌装机中。DosiFlap®被设计为低死角卸料阀,但其实际计量精度取决于产品流动性、堆积密度、粒度、卸料截面以及上级称重技术。

若要求实现快速的整批式卸料,可采用KoneSlid®混合机:其锥形封闭体在卸料时下降,打开一个大面积的底部出料口,从而使混合物在短时间内卸出,而不会在混合腔内留下明显的堆积锥。据amixon®介绍,在混合工具低速持续运转的条件下,KoneSlid®卸料方式可实现无离析卸料。对于颗粒尺寸、堆积密度或形状差异较大的混合物,其适用性应通过试验加以确认。

Gyraton®料仓混合机同样专为具有中心底部出料口的大容量批次而设计,其位于中心、低死角的卸料阀可实现产品流直接进入后续工序。在最终卸料阶段,Gyraton®混合工具可继续运转,使底部区域的产品持续循环,从而辅助实现均匀卸料。混合物在整个卸料过程中能否保持无离析,取决于配方、颗粒特性、卸料速率、输送技术及后续转运方式,须针对具体工艺进行检验。

对于立式单轴及双轴混合机,ComDisc®装置可辅助最终卸料:在最后的卸料步骤中,ComDisc®元件会掠过底部区域,将残留物料推向出料口。amixon®将这一功能描述为在不产生离析的情况下辅助实现较为彻底的残余物排空。但实际可达到的残余量及无离析程度,始终取决于产品的流动性、内聚力、湿度、脂肪含量及粒度分布。

在所有卸料理念中,卫生和可清洗性始终是核心考量。据制造商介绍,配备OmgaSeal®密封件的Clever-Cut®检修门可实现低死角密封,并方便进入接触产品的区域。结合易于接近的接管、卫生密封件及合适的清洁流程,可为产品切换、目视检查及维护提供便利。